大功率三相異步電動機軟啟動技術(shù)研究

安紅戰(zhàn) 方蕾

基金項目：湖南省教育廳科學(xué)研究課題“三相異步電動機晶閘管軟啟動技術(shù)研究”（15C0910）

摘要：三相異步電動機作為一種重要的動力裝置，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。由于自身結(jié)構(gòu)的特點，其在啟動過程中容易產(chǎn)生電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，因此大功率三相電動機不允許直接啟動。本文對電動機的啟動特性進行了分析，討論了電動機軟啟動的類型以及軟啟動技術(shù)的發(fā)展方向，為進一步研究軟啟動技術(shù)提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞：電動機;軟啟動;研究

中圖分類號：TD684;TM343文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-9129（2020）14-0026-01

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，大功率三相異步電動機在煤礦、鋼鐵、船舶等行業(yè)廣泛應(yīng)用，但其在啟動過程中存在弊端，直接啟動會產(chǎn)生一系列電氣和機械問題。因此，如何實現(xiàn)大功率電動機可靠、快速的啟動，是電機拖動方面的一個研究熱點。

1三相異步電動機啟動特性分析

三相異步電動機的啟動是指電動機接入電網(wǎng)轉(zhuǎn)速從零開始加速直到全速運行的這一過程。當(dāng)電動機直接投入電網(wǎng)啟動時，在啟動瞬間，轉(zhuǎn)子由于慣性不能立即旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)速n=0、轉(zhuǎn)差率s=1，電動機對電網(wǎng)呈現(xiàn)短路阻抗ZK，流過它的穩(wěn)態(tài)電流稱為啟動電流。此時啟動電流：

式中，U1、R1、X1σ為定子端電壓、電阻、電抗，R′2、X′2σ為轉(zhuǎn)子電阻、電抗。

一般籠型異步電動機ZK=0.14～0.25，在額定電壓（）下直接啟動時，Ist=4～7，啟動電流很大。U1=1

由于直接啟動時啟動電流過大，因此大功率電動機直接啟動時將產(chǎn)生以下三個方面的危害。

第一，對電網(wǎng)的沖擊。直接啟動時的啟動電流可達額定電流的4～7倍，對于短路容量較小的電網(wǎng)，會造成電網(wǎng)電壓大幅跌落，導(dǎo)致欠壓保護誤動作，設(shè)備跳閘，使電動機啟動失敗并影響其它并網(wǎng)用電設(shè)備的正常運行。

第二，對電機的沖擊。過大的啟動電流會使電機的繞組迅速升溫，加速其絕緣老化，縮短電機的電氣壽命;直接啟動產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)矩會使電動機轉(zhuǎn)子籠條、端環(huán)斷裂，降低電機的機械壽命。

第三，對機械裝置的沖擊。直接啟動轉(zhuǎn)矩將對拖動的機械設(shè)備造產(chǎn)生大的沖擊力，造成如聯(lián)軸器的損壞、減速器的非正常磨損等，使機械裝置壽命縮短、精度降低。

2三相異步電動機軟啟動的類型

大功率電動機直接啟動造成危害的根本原因是過大的啟動電流，通過降低啟動電壓可降低啟動電流，因此傳統(tǒng)的電動機啟動方法主要為降壓啟動，如定子繞組串電阻啟動、Y-△降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動等。但這些傳統(tǒng)的啟動方法，一方面是有級啟動，在啟動過程中電動機轉(zhuǎn)矩存在二次突變，會產(chǎn)生較大的機械沖擊;另一方面在降低啟動電壓的同時降低了啟動轉(zhuǎn)矩，電動機只能輕載或空載啟動。

通過對電動機端電壓的無級連續(xù)調(diào)節(jié)，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩的大小，使電動機啟動過程平滑無沖擊，即為電動機的軟啟動。目前三相異步電動機軟啟動的類型主要包括液阻軟啟動、磁控軟啟動和晶閘管軟啟動三種，其中以晶閘管軟啟動應(yīng)用最為廣泛。

（1）液阻軟啟動：是在電動機定子繞組回路中串入高壓電阻，這種電阻是用離子導(dǎo)電的電解液制成，在電動機啟動過程中不斷減小電阻，啟動完成后完全切除電阻。液阻軟啟動價格低廉，在電動機啟動過程中不產(chǎn)生高次諧波，但其工作性能受環(huán)境影響很大，維護困難，重復(fù)啟動性和安全性差。

（2）磁控軟啟動：是將磁控電抗器串聯(lián)在交流電動機的工作回路，啟動時投入磁控電抗器，通過調(diào)節(jié)磁控電抗器的輸出阻抗，調(diào)節(jié)電動機的啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩，啟動完畢后，磁控電抗器退出運行。由于磁控電抗器具有連續(xù)可調(diào)節(jié)阻抗、伏安特性線性度好、響應(yīng)速度快和便于多次連續(xù)啟動等優(yōu)點，特別適用于高電壓大容量交流電機的軟啟動，已經(jīng)被廣泛使用。

（3）晶閘管軟啟動：是把三對反并聯(lián)晶閘管分別串接在電動機的三相定子繞組上，通過控制晶閘管導(dǎo)通角的占空比來實現(xiàn)電動機啟動電壓的連續(xù)控制。晶閘管軟啟動可以根據(jù)不同的應(yīng)用情況設(shè)置初始轉(zhuǎn)矩、啟動時間、停機時間、限流和各種保護值等，平滑的啟動特性和免維護等使其具有其它軟啟動無法比擬的優(yōu)越性。

3三相異步電動機軟啟動技術(shù)的研究方向

為了獲得更加優(yōu)越的啟動性能，當(dāng)前軟啟動技術(shù)的研究主要集中在變頻軟啟動和分級變頻軟啟動方面。

（1）變頻軟啟動。是采用變頻變壓控制方式，使頻率和電壓按比例平滑上升，可以在得到足夠啟動轉(zhuǎn)矩的前提下，有效地減小啟動電流，是電動機最理想的啟動方式，主要用于電機需要調(diào)速和重載啟動的場合。在眾多的電機軟啟動方式中，變頻器軟啟動技術(shù)具有非常明顯的優(yōu)勢，但費用較高。如何降低變頻軟啟動技術(shù)的使用費用是目前的主要研究點。

（2）分級變頻軟啟動。傳統(tǒng)軟啟動技術(shù)在限制了啟動電流的同時，往往會降低啟動轉(zhuǎn)矩，不適用于重載電機的啟動。分級變頻軟啟動通過控制晶閘管的導(dǎo)通時刻，可以有選擇的讓50Hz工頻電壓的某些半波導(dǎo)通，以產(chǎn)生各種不同頻率的電壓，像變頻器一樣實現(xiàn)變壓變頻。但是分級變頻并不能使輸出電壓頻率連續(xù)地變化，它只能產(chǎn)生工頻的幾分頻，使頻率分步離散地增加。分級變頻軟啟動適用于電機帶額定負載起動。如何實現(xiàn)最優(yōu)的分頻控制是目前的一個研究熱點。

4總結(jié)

但隨著工業(yè)水平的提高，對電動機的啟動不斷提出新的要求，如何把更加先進的控制技術(shù)應(yīng)用到電動機軟啟動中，是科研工作者一直努力的方向。

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